第二章光敏电阻

第二章光电导器件某些物质吸收光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、硫化铅等）可以制成电导随入射光通量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻。通常应用于路灯照明、警报器、楼梯灯、小夜灯，光线黑暗时路灯即亮。光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。•光敏电阻(LDR)和它的符号：符号主要内容2.1光敏电阻的原理与结构2.2光敏电阻的基本特性2.3光敏电阻的变换电路2.4光敏电阻的应用实例2.1光敏电阻的工作原理与结构工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。光子→电子跃迁→自由载流子数目变化→电导率，电阻变化入射光返回通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为bdlhΦNe,e,(1-73)光敏层每秒产生的电子数密度Ge为e,eNG（1-74）在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和ttrNGGe,e（1-75）导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为))((iifppnnKR（1-76）式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即iiftpnKr（1-77）在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即))((,eiifiifppnnKpnKN（1-78）在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即))((dd,eiifiifppnnKpnKNtn)(,eiifnppnpnKN（1-79）下面分为两种情况讨论：（1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（1-79）可简化为)(dd,eiifpnnKNtn利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得)1(,eteNn（1-80）式中τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。由式（1-80）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当tτ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态,e0Nn（1-81）光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为,eNqnq（1-82）式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。半导体材料的光电导g为,eNlbdqlbdg（1-83）可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。求导可得,2ddelhqg由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度2,ddhclqgSeg（1-85）可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。（2）在强辐射的作用下，Δnni，Δppi（1-79）式可以简化为2,eddnKNtnf利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得tKNnftanh21e,（1-86）式中，为强辐射作用下载流子的平均寿命。强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为21,213eflKhbdqg（1-87）抛物线关系。进行微分得,21,213d21deeflKhbdqg（1-88）在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。光敏电阻的基本结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏电阻的基本结构光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比,都与两电极间距离l有关。典型光敏电阻1、CdS光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。CdS光敏电阻的光敏面常为如图2-2（b）所示的蛇形光敏面结构。2、PbS光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。3、InSb光敏电阻InSb（锑化铟）光敏电阻是3~7μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波限可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料混合而成的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同光谱响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。常用的有：1~3μm、3~5μm、8~14μm三种波长范围的探测器，对应大气窗口。响应在8~14μm波段，峰值波长为10.6μm,与co2激光器的波长相匹配。2.2光敏电阻的基本特性1光电特性光敏电阻为多数载流子导电的光电敏感器件，它与其他光电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏电阻的基本特性参数包含光电特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特性（线性与非线性），它在弱辐射和强辐射作用下的光电导与辐射通量的关系:实际上，光敏电阻在弱辐射到强辐射的作用下，它的光电特性可用在“恒定电压”作用下流过光敏电阻的电流Ip与作用到光敏电阻上的光照度E的关系曲线来描述，,e2Φlhqg21,213eflKhbdqg如图2-3所示为CdS光敏电阻的光电特性曲线。给出了在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系，由图可见它是由线性渐变到非线性的。EUSUgIgpp式中Sg为光电导灵敏度，E为光敏电阻的照度。显然，当照度很低时，曲线近似为线性；随照度的增高，线性关系变坏，当照度变得很高时，曲线近似为抛物线形。（2-1）光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数γ来描述，并定义γ为光电转换因子。并将式（2-1）改为EUSUgIgpp光电转换因子在弱辐射作用的情况下为γ=1），随着入射辐射的增强，γ值减小，当入射辐射很强时γ值降低到0.5。（2-2）在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用如图2-4所示的特性曲线。如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在某段照度EV范围内的光电特性表现为线性，即（2-2）式中的γ保持不变。γ值为对数坐标下特性曲线的斜率。即1221lglglglgEERR（2-3）R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值。2伏安特性光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线，并称其为光敏电阻的伏安特性。3温度特性光敏电阻具有复杂的温度特性。以室温（25℃）的相对光电导率为100%，观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系，可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降。4时间响应光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些，频率响应要低些，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨论。4时间响应1.弱辐射作用情况下的时间响应00t≥0t=0光电导率Δσ和光电流IΦ随时间变化的规律为)1(/0te)1(/0teeII当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；τr定义为光敏电阻的上升时间常数。/0te/0teeII当t=τf时，Δσ=0.37Δσ0，IΦ=0.37IΦe0；τf定义为光敏电阻的下降时间常数。停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为：00t=0t≥0光电导率和光电流随时间变化的规律为：对应脉冲前沿，光敏电阻电导率的变化规律为：ttanh0tIIetanh0其光电流的变化规律为：（2-10）（2-11）停止辐射时,光电导率和光电流的变化规律可表示为：/110t/110tII（2-8）（2-9）2.强辐射作用情况下的时间响应当t=τr时，Δσ=0.76Δσ0，IΦ=0.76IΦe0.；当t=τf时，Δσ=0.50Δσ0，IΦ=0.50IΦe0.5光谱响应光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。6噪声特性光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。1、热噪声:由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声。2、产生复合噪声：3、低频噪声（电流噪声）：与调制频率成反比。•在几百赫兹以内以电流噪声为主；随着频率的升高产生复合变得明显；频率很高时以热噪声为主。2.3光敏电阻的变换电路1基本偏置电路设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，流过偏置电阻RL的电流为ILLbbLRRUI用微变量表示Rd)RR(d2LLbbUI而，dR=d(1/g)=(-1/